近日， 北京量子信息科学研究院和北京大学共建的徐洪起团队与中国科学院半导体研究所赵建华课题组合作，基于半导体砷化铟(InAs)纳米线，采用先进的微纳加工工艺，制作了集成有电荷感应器的耦合三量子点器件，并在3个量子点中的能级与源漏费米能级均接近于平齐的高简并区，观测到了完整的8个耦合三量子点在少电子极限条件下的电荷态及其伴随的8个三点的复杂电荷态结构相图，并研究了耦合三量子点处于四点的电荷输运行为以及该三量子点中的电子占有数自发重构过程。2023年2月10日，相关研究成果以“Charge States, Triple Points, and Quadruple Points in an InAs Nanowire Triple Quantum Dot Revealed by an Integrated Charge Sensor”为题发表在Advanced Quantum Technologies上。

窄带隙半导体纳米线因其具有电子有效质量较小、朗德g因子较大和自旋轨道耦合作用较强等优势，在自旋和拓扑量子计算研究中受到广泛关注。对于线性多量子点体系，源漏电极之间的直接输运电流常因定义量子点限制势垒的总透明度过小而无法被探测，故引入灵敏的电荷感应集成技术便在研究中显得尤为关键。 

研究团队基于单根半导体InAs纳米线，利用精密的局域顶指栅阵列技术，构建了由耦合三量子点和单量子点电荷感应器组成的集成器件（如图1所示）。研究人员通过采用一根耦合金属线实现了耦合三量子点与电荷感应器的强电容耦合及其电荷感应器对三量子点电荷态高探测灵敏度，从而精准地探测到了三量子点处于少电子区的电子电荷分布及其丰富的耦合三量子点电荷态结构相图和量子输运行为。

图1 耦合线性三量子点和单量子点电荷感应器集成器件的扫描电镜图片及其器件结构示意图

研究人员采用分子束外延生长获得的高品质纤锌矿单晶纳米线作为构造该器件的半导体材料，其长度为2μm,直径为30nm。定义和调控耦合多量子点及其集成的电荷探测器的指栅阵列由Ti/Au薄膜经精密微纳加工制成，其单栅宽度为20nm, 厚度为30nm, 阵列周期为60nm（参见图1）。并利用电荷感应器对耦合三量子点的三维电荷稳态图进行了一系列“切片式”的二维测量（如图2所示），在3个量子点中的电化学势与源漏费米能级接近于同时平齐的高简并区，清晰地观测到完整的8个线性耦合三量子点电荷态及其伴随的8个三点，以及通过精准栅控实现的3个量子点中的电化学势与源漏费米能级均处于平齐的四点。此外，研究人员还观测到3个量子点中的电子布居数同时发生变化的量子元胞自发重构（quantum cellular automata）过程。该工作为半导体纳米线多量子点体系的调控和探测提供了新的思路，在自旋量子比特的读取和多量子点量子模拟等方面具有潜在应用。

图2 通过电荷感应器测量到的一系列耦合三量子点的二维电荷稳态图

北京大学博士研究生、北京量子信息科学研究院实习生李伟杰为以上研究成果的第一作者，徐洪起教授为通讯作者，其他合作者包括北京量子院助理研究员刘志海，北京大学已毕业的博士研究生慕经纬，在读博士研究生罗毅，以及中国科学院半导体研究所赵建华研究员和潘东研究员。该工作得到国家自然科学基金委等项目的支持。

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/qute.202200158